多年凍土區(qū)引氣混凝土抗壓強(qiáng)度及抗凍性研究

張 凱，王起才，楊子江，王慶石，梁柯鑫

(1. 蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2. 道橋工程災(zāi)害防治技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室, 甘肅 蘭州 730070；3. 濟(jì)南鐵路局 臨沂工務(wù)段，山東 濟(jì)南 250001)

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速發(fā)展，西北地區(qū)基礎(chǔ)建設(shè)規(guī)模逐年增大，西北地區(qū)大都處于寒冷地帶，埋設(shè)在凍土中的混凝土灌注樁，屬于隱蔽性結(jié)構(gòu)，混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)因?yàn)榈蜏氐挠绊懯沟媒Y(jié)構(gòu)物留下永久難以去除的病害，而且影響火車的運(yùn)營，因此混凝土耐久性的研究已成為材料工程學(xué)科研究的熱點(diǎn)問題。混凝土耐久性的一個(gè)重要指標(biāo)是抗凍性[1-2]，因而人們對(duì)于混凝土的抗凍性能越來越重視，特別是適用于抗凍性能的引氣混凝土中摻入了部分引氣劑，混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生了大量氣泡[3]，使得引氣混凝土是一種復(fù)雜的多孔材料[4-5]，對(duì)此國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了部分引氣混凝土的研究，Sakaie[6]列出了引氣混凝土孔徑和氣泡間距的參數(shù)，得出引氣方式對(duì)混凝土的性能有顯著影響[7-8]；Dai等[9]通過測試冰凍作用下混凝土的伸長量，建立了混凝土孔結(jié)構(gòu)與冰晶壓力的關(guān)系；楊錢榮[10]論述了在相同強(qiáng)度下引氣可改善混凝土的綜合耐久性能，并探討了含氣量對(duì)混凝土耐久性的作用機(jī)理[11-12]；王慶石等[13]測試了混凝土孔結(jié)構(gòu)參數(shù)，分析了混凝土結(jié)構(gòu)與混凝土抗凍性能的關(guān)系。持續(xù)負(fù)溫下混凝土的耐久性及力學(xué)性能的變化規(guī)律不同于普通混凝土施工時(shí)的養(yǎng)護(hù)，國內(nèi)外對(duì)此未見文獻(xiàn)報(bào)道。

青藏鐵路、青藏公路穿越的青南藏北地區(qū)是多年凍土最發(fā)育的地區(qū)，基本上呈連續(xù)或大片分布，沿線年平均地溫在0 ℃～-4 ℃范圍內(nèi)，且根據(jù)年平均地溫又將其分為不穩(wěn)定凍土(大于-0.5 ℃)、亞穩(wěn)定凍土(-0.5 ℃～-3 ℃)和穩(wěn)定凍土(小于-3 ℃)，因此選擇處于亞穩(wěn)定凍土與穩(wěn)定凍土的邊界點(diǎn)-3 ℃作為本次試驗(yàn)的養(yǎng)護(hù)溫度。本文以水膠比0.38的混凝土的抗壓強(qiáng)度及抗凍性能為目標(biāo)，齡期和孔結(jié)構(gòu)特征為變量，對(duì)比分析了持續(xù)負(fù)溫(-3 ℃)養(yǎng)護(hù)和標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下混凝土的力學(xué)性能和抗凍耐久性能。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

水泥：42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥；碎石：粒徑為5～31.5 mm，壓碎指標(biāo)為7.04%，表觀密度為2 790 kg/m3，其各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)見表1；細(xì)砂：細(xì)度模數(shù)為2.15，表觀密度2 620 kg/m3, 堆積密度1 515 kg/m3，含泥量1.47%，其各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)見表2；粉煤灰：Ⅰ級(jí)粉煤灰，礦粉：Ⅱ級(jí)礦粉，性能滿足規(guī)范要求；外加劑為減水劑和引氣劑，減水劑為聚羧酸高性能減水劑母液，引氣劑為液體SJ-2型引氣劑；水：自來水。

表1 石子顆粒級(jí)配

表2 細(xì)砂顆粒級(jí)配

表3 引氣混凝土配合比

1.2 混凝土配合比

表3為混凝土經(jīng)過多次試拌后的最終配合比，其中JC1為基準(zhǔn)混凝土，即不摻引氣劑的混凝土，JC2、JC3、JC4、JC5分別為摻量0.15‰、0.3‰、0.45‰、0.6‰的引氣劑混凝土。對(duì)于新拌混凝土，擴(kuò)展度大于480 mm，坍落度大于180 mm，流動(dòng)性好；新拌混凝土沒有分層和離析現(xiàn)象，保水性也較好。

1.3 養(yǎng)護(hù)方法

在室溫(18～22 ℃)、濕度(80%～90%)下，將稱好的材料放入攪拌機(jī)中攪拌2 min，再將摻有拌合水的外加劑倒入攪拌物中，攪拌2 min后，將混凝土拌合物放入已經(jīng)涂過油的試模中，將含有混凝土拌合物的試模放在振動(dòng)臺(tái)上振搗1 min。含氣量采用直讀式精密混凝土含氣量測定儀測定。

一部分試件放入大氣模擬箱內(nèi)帶模養(yǎng)護(hù)，大氣模擬箱的溫度調(diào)至(-3±0.2)℃，濕度通過將混凝土套袋的方式保持在95%左右，3 d后脫模，繼續(xù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)；另一部分1 d后脫模，養(yǎng)護(hù)條件為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。-3 ℃養(yǎng)護(hù)混凝土試件見圖1，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下混凝土試件見圖2。

圖1 -3 ℃養(yǎng)護(hù) 圖2 標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)

1.4 試驗(yàn)方法及方案

1.4.1 抗壓強(qiáng)度測試方法

按GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[14]進(jìn)行混凝土立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm。按相應(yīng)養(yǎng)護(hù)條件將混凝土試件養(yǎng)護(hù)至14、28、56、84、180 d時(shí)，進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。

1.4.2 凍融測試方法

依據(jù)GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[15]中抗凍性能試驗(yàn)方法，試件尺寸為400 mm×100 mm×100 mm，將試件養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期且浸泡4 d后，開始快速凍融試驗(yàn)，試件循環(huán)25次測試件參數(shù)，當(dāng)質(zhì)量損失率超過5%、相對(duì)動(dòng)彈性模量低于60%或凍融循環(huán)達(dá)到300次時(shí)停止試驗(yàn)，凍融循環(huán)過程見圖3。

圖3 凍融循環(huán)

2 混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果及分析

兩種養(yǎng)護(hù)條件下混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見表4，根據(jù)表4分別繪出了兩種養(yǎng)護(hù)條件下混凝土抗壓強(qiáng)度隨含氣量及齡期的變化曲線，具體見圖4、圖5。

表4 混凝土在不同含氣量下的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

注：括號(hào)內(nèi)為新拌混凝土的含氣量。

圖4 混凝土抗壓強(qiáng)度與含氣量的關(guān)系曲線

圖5 JC1、JC4混凝土抗壓強(qiáng)度與齡期的關(guān)系曲線

(1) 同齡期下，持續(xù)-3 ℃養(yǎng)護(hù)環(huán)境下混凝土抗壓強(qiáng)度明顯低于標(biāo)養(yǎng)下混凝土的抗壓強(qiáng)度，齡期28 d時(shí)，前者為后者的0.72～0.78倍；持續(xù)-3 ℃養(yǎng)護(hù)環(huán)境下齡期84 d時(shí)的抗壓強(qiáng)度與標(biāo)養(yǎng)下齡期28 d時(shí)的抗壓強(qiáng)度相當(dāng)，存在明顯的“齡期滯后”現(xiàn)象，這是由于負(fù)溫條件下，水分子接近冰點(diǎn)，導(dǎo)致水泥水化速率減慢，水化產(chǎn)物減少，使得混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)不能很好的被填充，負(fù)溫對(duì)混凝土的強(qiáng)度增長產(chǎn)生了抑制作用，雖然混凝土內(nèi)部水泥的水化反應(yīng)相對(duì)較慢，但是在持續(xù)進(jìn)行，可見負(fù)溫養(yǎng)護(hù)下混凝土的抗壓強(qiáng)度需要養(yǎng)護(hù)更長時(shí)間才能達(dá)到標(biāo)養(yǎng)下混凝土的抗壓強(qiáng)度。

(2) 圖4中持續(xù)-3 ℃養(yǎng)護(hù)環(huán)境下齡期84 d時(shí)的抗壓強(qiáng)度和含氣量的關(guān)系曲線與齡期28 d時(shí)的關(guān)系曲線平行且與標(biāo)養(yǎng)下28 d時(shí)曲線基本重合，這說明齡期滯后的天數(shù)與含氣量關(guān)系不大，僅與養(yǎng)護(hù)環(huán)境有關(guān)。

(3) 同齡期下，兩種養(yǎng)護(hù)條件混凝土抗壓強(qiáng)度與含氣量的變化規(guī)律相同，隨著含氣量的增大，混凝土的抗壓強(qiáng)度逐漸減小，含氣量在1.5%～3.2%之間，混凝土抗壓強(qiáng)度降低緩慢，在3.2%～9.6%之間，抗壓強(qiáng)度降低較快。

3 混凝土抗凍性能試驗(yàn)結(jié)果及分析

由于持續(xù)-3 ℃養(yǎng)護(hù)環(huán)境下齡期84 d時(shí)的抗壓強(qiáng)度與標(biāo)養(yǎng)下齡期28 d時(shí)混凝土的抗壓強(qiáng)度相當(dāng)，試驗(yàn)時(shí)將持續(xù)-3 ℃養(yǎng)護(hù)環(huán)境下齡期84 d時(shí)混凝土的抗凍性能與標(biāo)養(yǎng)下齡期28 d時(shí)進(jìn)行比較。兩種養(yǎng)護(hù)環(huán)境下同抗壓強(qiáng)度混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量及質(zhì)量損失率試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 兩種養(yǎng)護(hù)方式下混凝土試件相對(duì)動(dòng)彈性模量及質(zhì)量損失率試驗(yàn)結(jié)果

注：1. 括號(hào)外為混凝土的相對(duì)動(dòng)彈性模量，括號(hào)內(nèi)為混凝土的質(zhì)量損失率。2. -3 ℃養(yǎng)護(hù)齡期84 d,標(biāo)養(yǎng)養(yǎng)護(hù)齡期28 d。

3.1 質(zhì)量損失率

根據(jù)表5繪出混凝土質(zhì)量損失率與含氣量的關(guān)系曲線，見圖6。由表5和圖6得出：

(1) 隨著含氣量的增大，混凝土的質(zhì)量損失率先減小后增大，含氣量在1.5%～3.2%之間，相對(duì)動(dòng)彈性模量不低于60%時(shí)的質(zhì)量損失率從1.85%降低到1.64%，含氣量在3.2%～9.6%之間，質(zhì)量損失率從1.64%增加到3.24%，這主要是因?yàn)榛炷梁瑲饬窟^高，內(nèi)部氣泡與毛細(xì)孔連通，內(nèi)部結(jié)構(gòu)在凍融循環(huán)作用下遭到嚴(yán)重破壞，導(dǎo)致質(zhì)量損失較大。

(2) 持續(xù)-3 ℃養(yǎng)護(hù)環(huán)境下混凝土的質(zhì)量損失率與含氣量的關(guān)系曲線與標(biāo)養(yǎng)下的關(guān)系曲線基本平行，說明兩者的變化規(guī)律相同，但前者的質(zhì)量損失率比后者大，這是因?yàn)樵谪?fù)溫下，混凝土內(nèi)部結(jié)冰量較大，水結(jié)冰后體積發(fā)生膨脹，內(nèi)部形成凍脹應(yīng)力，產(chǎn)生許多微裂縫，已結(jié)冰的水會(huì)推動(dòng)未結(jié)冰的水沿著這些裂縫遷移，在裂縫中繼續(xù)結(jié)冰，導(dǎo)致裂縫的擴(kuò)展[16]，在凍融循環(huán)作用下，試件更易剝蝕，導(dǎo)致質(zhì)量損失更大。

(3) 隨著凍融循環(huán)次數(shù)增大，在持續(xù)-3 ℃養(yǎng)護(hù)環(huán)境下混凝土試件質(zhì)量持續(xù)減小，而在標(biāo)養(yǎng)下，混凝土JC1、JC2、JC3的質(zhì)量先增大后減小，混凝土JC4、JC5的質(zhì)量逐漸減小，在標(biāo)養(yǎng)下，混凝土質(zhì)量先增大是因?yàn)榛炷廖⒘芽p吸水的質(zhì)量大于混凝土剝蝕的質(zhì)量，當(dāng)混凝土微裂縫吸水的質(zhì)量小于混凝土剝蝕的質(zhì)量時(shí)，混凝土質(zhì)量較小，而在持續(xù)-3 ℃養(yǎng)護(hù)環(huán)境下微裂縫吸水增加質(zhì)量小于剝蝕質(zhì)量，質(zhì)量持續(xù)減小。

圖6 兩種養(yǎng)護(hù)方式下混凝土質(zhì)量損失率與含氣量的關(guān)系曲線

3.2 相對(duì)凍融耐久性指標(biāo)

抗凍融耐久性指標(biāo)是混凝土抗凍性能的綜合反映，其計(jì)算式為

DF=P·N/300

(1)

式中：P為相對(duì)動(dòng)彈性模量；N為相對(duì)動(dòng)彈性模量達(dá)到60%時(shí)的循環(huán)次數(shù)。

根據(jù)表5可計(jì)算出試件的抗凍融耐久性指標(biāo)DF，并繪制出混凝土抗凍融耐久性指標(biāo)DF與含氣量的關(guān)系曲線，見圖7。

圖7 兩種養(yǎng)護(hù)方式下混凝土耐久性指標(biāo)與含氣量的關(guān)系曲線

由圖7可知：

(1) 兩種養(yǎng)護(hù)環(huán)境下混凝土抗凍融耐久性指標(biāo)隨含氣量的變化規(guī)律基本一致，隨著含氣量的增大，混凝土抗凍融耐久性指標(biāo)先增大后減小，即混凝土的抗凍性先增強(qiáng)后減弱，含氣量在1.5%～3.2%之間，混凝土的抗凍融耐久性指標(biāo)隨著含氣量的增大而增大，含氣量在3.2%～9.6%之間，混凝土的抗凍融耐久性指標(biāo)隨著含氣量的增大而減小，這說明含氣量對(duì)混凝土抗凍性能的影響存在一個(gè)合理范圍，即含氣量在3.2%左右最為合適。

(2) 持續(xù)-3 ℃養(yǎng)護(hù)環(huán)境下混凝土的抗凍融耐久性指標(biāo)遠(yuǎn)低于標(biāo)養(yǎng)下混凝土的抗凍融耐久性指標(biāo)，JC1、JC2、JC3、JC4的耐久性指標(biāo)前者為后者的0.27、0.51、0.26、0.33倍，含氣量為3.2%時(shí)，抗凍融耐久性指標(biāo)降低幅度最小，其值為0.51，這與前一點(diǎn)確定的含氣量最合適的范圍一致，同時(shí)可以看出前者的抗凍融耐久性指標(biāo)較后者降低幅度較大，最低達(dá)0.26，這說明持續(xù)-3 ℃養(yǎng)護(hù)環(huán)境下混凝土的抗壓強(qiáng)度雖然通過延長養(yǎng)護(hù)齡期能夠最終達(dá)到標(biāo)養(yǎng)下28 d的抗壓強(qiáng)度，但相對(duì)凍融耐久性指標(biāo)降低幅度較大，這是西部寒冷地區(qū)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中值得注意的問題。

4 結(jié)論

依據(jù)青藏鐵路多年凍土地區(qū)混凝土灌注樁，本文對(duì)不同含氣量下混凝土在持續(xù)-3 ℃養(yǎng)護(hù)環(huán)境和標(biāo)養(yǎng)環(huán)境下進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)及凍融循環(huán)試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析，得到如下結(jié)論：

(1) 在礦物摻合料比例一定時(shí)，持續(xù)-3 ℃養(yǎng)護(hù)環(huán)境下齡期84 d時(shí)的抗壓強(qiáng)度與標(biāo)養(yǎng)下齡期28 d時(shí)的抗壓強(qiáng)度相當(dāng)，前者存在明顯的“齡期滯后”現(xiàn)象，但混凝土抗壓強(qiáng)度齡期滯后的天數(shù)與含氣量關(guān)系不大，僅與養(yǎng)護(hù)環(huán)境有關(guān)。

(2) 含氣量為3.2%時(shí)，混凝土質(zhì)量損失最少；持續(xù)-3 ℃養(yǎng)護(hù)環(huán)境下混凝土的質(zhì)量損失與標(biāo)養(yǎng)下變化規(guī)律相同，但前者的質(zhì)量損失比后者大。

(3) 隨著含氣量的增大，混凝土的抗凍性能先增強(qiáng)后減弱，含氣量為3.2%時(shí)，混凝土抗凍融耐久性指標(biāo)降低幅度最小，抗凍性能最優(yōu)。

(4) 持續(xù)-3 ℃養(yǎng)護(hù)環(huán)境下混凝土的抗壓強(qiáng)度最終能夠達(dá)到標(biāo)養(yǎng)下28 d的抗壓強(qiáng)度，但抗凍融耐久性指標(biāo)降低幅度較大，對(duì)于寒冷地區(qū)，特別是西部多年凍土地區(qū)的混凝土灌注樁，其耐久性的這一特點(diǎn)應(yīng)引起使用者高度重視。